磁性多壁碳納米管對(duì)花生油中黃曲霉毒素的脫除效果研究

呂雅芳，紀(jì)俊敏，苗紅梅,3*，侯利霞，汪學(xué)德，王合寶

1.河南工業(yè)大學(xué) 糧油食品學(xué)院，河南 鄭州 450001 2.河南工業(yè)大學(xué) 特色油料加工研究所，河南 鄭州 450001 3.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，河南 鄭州 450000 4.平輿康博匯鑫油脂有限公司，河南 駐馬店 463000

黃曲霉毒素(AFT)是黃曲霉和寄生曲霉的次生代謝物，是一類劇毒、致突變和致癌的化合物，會(huì)嚴(yán)重?fù)p害人類和動(dòng)物的肝組織從而導(dǎo)致肝癌[1-2]?；ㄉ诜N植、儲(chǔ)存、加工過(guò)程中容易受到AFT的污染，由于AFT的親脂性導(dǎo)致花生油也易受其污染，嚴(yán)重威脅著人們的生命健康[3]。在油脂中常見(jiàn)的AFT主要有黃曲霉毒素B1(AFB1)、黃曲霉毒素B2(AFB2)、黃曲霉毒素G1(AFG1)和黃曲霉毒素G2(AFG2)4種[4-5], 其中AFB1的毒性最強(qiáng)，被世界衛(wèi)生組織以及國(guó)際癌癥研究機(jī)構(gòu)認(rèn)定為I類致癌物。

為了保證油脂質(zhì)量安全，花生油在加工過(guò)程中需要進(jìn)行脫毒處理，常見(jiàn)的脫毒方法有物理、化學(xué)和生物3種方法[6]，物理吸附以簡(jiǎn)單、方便、快捷等優(yōu)點(diǎn)在植物油工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。到目前為止，活性炭、碳納米管、蒙脫土、凹凸棒、高嶺石等均可用于AFT的脫除[7-10]。然而，吸附完成后吸附劑與油不易分離，使得吸附過(guò)程更加耗時(shí)和困難。為了更高效地脫除AFT，將吸附劑與磁性Fe3O4納米粒子相結(jié)合，獲得磁性復(fù)合材料，利用Fe3O4的磁性能夠有效地將復(fù)合材料從溶液中分離出來(lái)[11]。近年來(lái)，國(guó)外有不少學(xué)者將磁性材料應(yīng)用于有機(jī)污染物的凈化研究[12-14]，但將磁性吸附劑應(yīng)用于AFT脫除的報(bào)道很少[15-16]。

多壁碳納米管(MWCNTs)以其豐富的表面基團(tuán)和良好的吸附性能成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)，其表面具有的豐富官能基團(tuán)能提供大量的活性位點(diǎn)，可以對(duì)各種有毒物質(zhì)進(jìn)行吸附。作者采用化學(xué)沉淀法合成了磁性多壁碳納米管(mMWCNTs)，選用AFT作為目標(biāo)脫除物，研究mMWCNTs磁性吸附劑對(duì)花生油中AFT的吸附性能，分析影響其脫除效果的因素，以期為AFT的高效脫除提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

花生油：市購(gòu)花生，在實(shí)驗(yàn)室條件下自制冷榨花生油；多壁碳納米管：蘇州碳豐石墨烯科技有限公司；AFB1、AFB2、AFG1、AFG2標(biāo)準(zhǔn)品(純度>99%)：Sigma 公司；濃硫酸、濃硝酸、硫酸鐵銨、硫酸亞銨、氨水：天津科密歐化學(xué)試劑有限公司；乙腈、甲醇：美國(guó) VBS 公司；試驗(yàn)用水均為超純水。

1.2 儀器與設(shè)備

Tecnai G2 F20型透射電子顯微鏡：美國(guó)FEI公司；NICO LET 6700型傅里葉變換紅外光譜儀：德國(guó)布魯克公司；6TZ-180型液態(tài)榨油機(jī)：鄭州德源機(jī)械有限公司；ME204E型電子天平：梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；DF-101S型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器：金壇華峰儀器有限公司；SHZ-D(III) 型循環(huán)水式真空泵：鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；LGJ-18型真空冷凍干燥機(jī)：北京松源華興科技發(fā)展有限公司；e2695型高效液相色譜儀：美國(guó)Waters公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 AFT標(biāo)準(zhǔn)曲線的建立

AFT儲(chǔ)備液的配制：用乙腈分別稀釋AFB1、AFB2、AFG1、AFG2標(biāo)準(zhǔn)品，配制成質(zhì)量濃度為200 ng/mL的AFB1、AFG1標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液以及質(zhì)量濃度為100 ng/mL的AFB2、AFG2標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液，并于-40 ℃低溫儲(chǔ)藏。

AFT標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制：用乙腈逐步稀釋AFT儲(chǔ)備液，配制質(zhì)量濃度分別為 0.5、1、2.5、5、10、25、50、100 ng/mL等8個(gè)梯度濃度的AFB1和AFG1標(biāo)準(zhǔn)溶液，以及0.25、0.5、1、2.5、5、10、25、50 ng/mL等8個(gè)梯度濃度的AFB2和AFG2標(biāo)準(zhǔn)溶液，以目標(biāo)物峰面積/內(nèi)標(biāo)物峰面積為縱坐標(biāo)，目標(biāo)物質(zhì)量濃度/內(nèi)標(biāo)物質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)，建立溶劑標(biāo)準(zhǔn)曲線，用于條件優(yōu)化時(shí) AFT的定量計(jì)算。

1.3.2 磁性碳納米管的制備

1.3 觀察指標(biāo) ①孕婦指標(biāo)：觀察兩組孕婦孕期體質(zhì)量增長(zhǎng)(GWG)，妊娠期糖尿病(GDM)；②妊娠結(jié)局：剖宮產(chǎn)率，早產(chǎn)率，產(chǎn)后出血率，胎膜早破率；③新生兒指標(biāo)：出生體質(zhì)量，巨大兒，新生兒窒息。

參照曹慧等[17]、王彬等[18]的方法進(jìn)行制備并進(jìn)行一定的改進(jìn)，具體如下。

酸化處理：稱取2 g MWCNTs于500 mL圓底燒瓶中，加入50 mL濃硫酸和100 mL濃硝酸超聲處理1 h，隨后移入120 ℃磁力攪拌恒溫油浴鍋中冷凝回流1 h，抽濾并用蒸餾水反復(fù)水洗至中性，105 ℃烘干后研磨過(guò)200目篩網(wǎng)，備用。

復(fù)合：取上述處理后的 MWCNTs、硫酸亞鐵銨和硫酸鐵銨于500 mL三口燒瓶中，加入200 mL蒸餾水，隨后置于磁力水浴攪拌器中，在氮?dú)獗Ｗo(hù)環(huán)境下逐滴加入約10 mL濃度為8 mol/L的氨水溶液，調(diào)節(jié)控制pH值為11～12，50 ℃攪拌處理30 min。反應(yīng)結(jié)束后在外加磁場(chǎng)作用下，分離mMWCNTs復(fù)合材料，用去離子水洗滌至中性，-80 ℃條件下冷凍干燥，研磨過(guò)200目篩網(wǎng)，備用。

1.3.3 花生油中AFT的吸附及脫除

將含有AFT的20 g花生油加到50 mL三口瓶中，在壓力≥8 kPa的條件下加熱攪拌脫水，直至油面上看不到霧氣。將油溫加熱至設(shè)定溫度后加入一定量的mMWCNTs復(fù)合材料，控制油溫并使油脂與mMWCNTs混合均勻，攪拌一段時(shí)間后停止加熱。使油在真空條件下冷卻一段時(shí)間后，關(guān)閉真空泵、冷卻水。將油、mMWCNTs混合物倒入燒杯中，通過(guò)外加磁場(chǎng)分離出吸附劑，得到脫毒凈油。

考察的吸附參數(shù)為吸附時(shí)間、溫度、吸附劑量、磁負(fù)載量及AFT初始含量，以花生油中AFT的脫除率作為指標(biāo)考察mMWCNTs對(duì)AFT的脫除效果。將測(cè)定結(jié)果代入1.3.1中建立的標(biāo)準(zhǔn)曲線并計(jì)算AFT含量。通過(guò)下式計(jì)算AFT的脫除率。

式中：QK為AFT的脫除率，%；C0、C分別為吸附前后油中AFT的質(zhì)量濃度，ng/g。

1.3.4 儀器分析條件

試驗(yàn)所用的高效液相色譜儀型號(hào)為Waters-e2695分離系統(tǒng)，連接Waters-2475熒光檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)分析。采用柱后光化學(xué)衍生器進(jìn)行衍生化處理，以增強(qiáng)AFT的熒光信號(hào)。色譜條件：流動(dòng)相為V(甲醇/乙腈)∶V(水)=45∶ 55，其中甲醇和乙腈1∶ 1混合均勻，流速為0.8 mL/min，柱溫為35 ℃，進(jìn)樣量為20 μL，激發(fā)波長(zhǎng)和發(fā)射波長(zhǎng)分別為360 nm和440 nm。在該色譜條件下，AFB1的出峰時(shí)間為27 min，AFB2的出峰時(shí)間為20 min，AFG1的出峰時(shí)間為18 min，AFG2的出峰時(shí)間為14 min，整個(gè)分析過(guò)程在40 min內(nèi)完成。

1.3.5 數(shù)據(jù)處理

所有的分析測(cè)試和試驗(yàn)進(jìn)行3次，以保證測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性，數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。使用SPSS 24.0軟件分析數(shù)據(jù)，使用Origin軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線的建立

用 1.3.1 配制的8個(gè)梯度濃度的4種AFT系列標(biāo)準(zhǔn)溶液建立溶劑標(biāo)準(zhǔn)曲線，結(jié)果如表1所示。4種AFT的標(biāo)準(zhǔn)曲線決定系數(shù)均在0.99以上，表明所有方程均具有良好的線性關(guān)系，可以用于后續(xù)AFT含量的計(jì)算。

表1 4種黃曲霉毒素系列標(biāo)準(zhǔn)溶液對(duì)應(yīng)溶劑標(biāo)準(zhǔn)曲線Table 1 Solvent standard curves of four aflatoxin series standard solutions

2.2 吸附劑表征

通過(guò)TEM分析可以獲得mMWCNTs材料的形貌特征。由圖1 (a)可知，mMWCNTs 呈現(xiàn)出中空且相互交聯(lián)的管狀結(jié)構(gòu)，管道之間的孔隙結(jié)構(gòu)使mMWCNTs 具有更多的活性位點(diǎn)，便于對(duì)化合物的吸附。從圖1 (b)可以看出，F(xiàn)e3O4納米粒子為單個(gè)球形顆粒，但由于納米粒子之間的相互作用以及磁性粒子之間的磁吸引作用產(chǎn)生團(tuán)聚現(xiàn)象。從圖1(a)還可以看出，經(jīng)過(guò)制備后 Fe3O4粒子成功負(fù)載在 MWCNTs表面及其孔隙間，表明mMWCNTs制備成功。

圖1 mMWCNTs 和Fe3O4納米粒子的透射電鏡圖Fig.1 TEM characterization of mMWCNTs and Fe3O4 nanoparticles

圖2 mMWCNTs和Fe3O4納米粒子的紅外光譜圖Fig.2 FT-IR spectra of mMWCNTs and Fe3O4 nanoparticles

2.3 不同吸附條件對(duì)花生油中AFT脫除率的影響

加標(biāo)花生油中AFB1含量為20 ng/g，AFB2含量為5 ng/g，AFG1含量為10 ng/g，AFG2含量為5 ng/g。由于AFB1是花生油中含量最多且毒性最強(qiáng)的AFT，國(guó)標(biāo)也只對(duì)AFB1和4種毒素總量有限量標(biāo)準(zhǔn)，故本研究主要考察mMWCNTs對(duì)花生油中AFB1及AFT(AFB1+AFB2+AFG1+ AFG2)脫除率的影響。

2.3.1 吸附時(shí)間對(duì)AFT脫除率的影響

在吸附溫度60 ℃、吸附劑添加量2 mg/g的條件下，考察了吸附時(shí)間對(duì)AFT脫除率的影響，結(jié)果如圖3所示。由于磁性復(fù)合吸附劑一開(kāi)始有很多的表面位點(diǎn)可供AFT吸附，故隨著時(shí)間的推移，AFB1以及AFT脫除率不斷升高，在60 min時(shí)脫除率分別高達(dá)93.03%和90.57%。將反應(yīng)時(shí)間從60 min延長(zhǎng)到120 min，AFB1以及AFT的脫除率均無(wú)明顯提高，說(shuō)明在吸附時(shí)間為60 min時(shí)可能達(dá)到吸附劑的飽和接觸點(diǎn)，之后脫除率基本沒(méi)有變化。因此，選擇60 min作為后續(xù)試驗(yàn)的吸附時(shí)間。

圖3 吸附時(shí)間對(duì)AFT脫除率的影響Fig.3 Influence of adsorption time on AFT removal rate

2.3.2 吸附溫度對(duì)AFT脫除率的影響

在吸附時(shí)間60 min、吸附劑添加量2 mg/g的條件下，考察了吸附溫度對(duì)AFT脫除率的影響。由圖4可知，AFB1和AFT的脫除率隨著吸附溫度的升高均呈先升高后降低的趨勢(shì)。溫度在60 ℃以下時(shí)，由于吸附短時(shí)間內(nèi)達(dá)不到平衡，升高溫度會(huì)加快吸附速率，從而出現(xiàn)脫除率升高的情況；當(dāng)溫度達(dá)到60 ℃時(shí)可能達(dá)到了吸附平衡，AFB1和AFT達(dá)到最大脫除率，脫除率分別為93.03%和90.80%；隨著溫度的進(jìn)一步升高，吸附劑與AFT出現(xiàn)解吸，故在60～100 ℃時(shí)AFT脫除率整體略有下降。綜上所述，對(duì)于花生油中AFT的脫除，吸附溫度為60 ℃時(shí)脫除效果最好，因此選擇60 ℃作為后續(xù)試驗(yàn)的吸附溫度。

圖4 吸附溫度對(duì)AFT脫除率的影響Fig.4 Influence of adsorption temperature on AFT removal rate

2.3.3 吸附劑添加量對(duì)AFT脫除率的影響

在吸附溫度60 ℃、吸附時(shí)間60 min的條件下，考察了吸附劑添加量對(duì)AFT脫除率的影響。從圖5可以看出，隨著吸附劑添加量的增加，AFB1及AFT脫除率均不斷提高。在吸附劑添加量為0.5～1.5 mg/g時(shí)，隨著吸附劑添加量的增加，AFB1及AFT的脫除率呈明顯上升趨勢(shì)，AFB1脫除率從84.86%上升到92.36%，AFT脫除率從83.02%上升到90.28%。繼續(xù)增加mMWCNTs用量，會(huì)產(chǎn)生多余的吸附位點(diǎn)，由于沒(méi)有多余的AFT與其作用，故脫除率不再明顯上升，從而保持吸附平衡狀態(tài)。從經(jīng)濟(jì)與安全方面考慮，選擇1.5 mg/g作為后續(xù)試驗(yàn)的吸附劑添加量。

2.3.4 AFT初始含量對(duì)AFT脫除率的影響

在吸附溫度60 ℃、吸附時(shí)間60 min、吸附劑添加量1.5 mg/g的條件下，考察了AFT初始含量對(duì)脫除率的影響。從圖6可知，隨著AFT初始含量的增加，AFB1和AFT脫除率不斷下降，可能是由于吸附劑表面位點(diǎn)有限，AFT初始含量的增加導(dǎo)致一部分毒素沒(méi)有被吸附。但在AFT初始含量為100 ng/g時(shí)脫除率仍能達(dá)到80%以上，說(shuō)明mMWCNTs 對(duì)AFT有很好的脫除效果。

2.3.5 磁負(fù)載量對(duì)AFT脫除率的影響

在吸附溫度60 ℃、吸附時(shí)間60 min、吸附劑添加量1.5 mg/g的條件下，考察了磁負(fù)載量對(duì)AFT脫除率的影響。從圖7可以看出，隨著復(fù)合吸附劑中磁負(fù)載量的增加，脫除率有所下降，說(shuō)明在吸附過(guò)程中碳納米管的表面位點(diǎn)起了主要的吸附作用。當(dāng)Fe3O4納米粒子與MWCNTs質(zhì)量比為1∶ 4時(shí)，AFB1和AFT脫除率分別達(dá)93.76%和94.36%，F(xiàn)e3O4納米粒子與MWCNTs質(zhì)量比為1∶ 1時(shí)，AFB1和AFT脫除率也仍能達(dá)85%以上，說(shuō)明磁性吸附劑對(duì)花生油中AFT有較佳的脫除效果，同時(shí)磁負(fù)載量的增加能夠使花生油和吸附劑快速高效地分離。

圖7 磁負(fù)載量對(duì)AFT脫除率的影響Fig.7 Influence of magnetic load on AFT removal rate

3 結(jié)論

采用化學(xué)沉淀法成功制備了磁性多壁碳納米管吸附劑，研究了mMWCNTs在不同吸附條件下對(duì)花生油中4種AFT的脫除效果。通過(guò) TEM 和FI-IR表征，表明MWCNTs與Fe3O4粒子成功復(fù)合在一起且沒(méi)有發(fā)生結(jié)構(gòu)變化。在吸附時(shí)間為60 min、吸附溫度為60 ℃、吸附劑添加量為1.5 mg/g時(shí)，mMWCNTs對(duì)花生油中AFT的脫除效果最好，AFB1和AFT的脫除率分別達(dá)92.36%和90.28%。在AFT初始含量為100 ng/g時(shí)脫除率仍能達(dá)到80%以上，AFT總含量從100 ng/g降到20 ng/g以下。隨著吸附劑中磁負(fù)載量的增加，AFT脫除率有所降低，但始終保持在85%以上。該研究明確了mMWCNTs對(duì)花生油中AFT有較好的脫除效果且操作簡(jiǎn)單，與常規(guī)吸附劑相比大大縮短了吸附完成后油和吸附劑的分離時(shí)間。mMWCNTs在脫除AFT中展現(xiàn)出應(yīng)用潛力，可擴(kuò)展至其他磁性材料的制備。